Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova ferramenta genética que pode facilitar a engenharia de plantas que podem sobreviver à seca ou resistir a infecções fúngicas. Sua técnica, que usa nanopartículas para entregar genes aos cloroplastos de células vegetais, trabalha com muitas espécies de plantas diferentes, incluindo espinafre e outros vegetais.

Esta nova estratégia pode ajudar os biólogos vegetais a superar as dificuldades envolvidas na modificação genética de plantas, que agora é um complexo, processo demorado que deve ser personalizado para a espécie de planta específica que está sendo alterada.

"Este é um mecanismo universal que funciona em todas as espécies de plantas, "diz Michael Strano, o Professor Carbon P. Dubbs de Engenharia Química no MIT, sobre o novo método.

Strano e Nam-Hai Chua, vice-presidente do Laboratório de Ciências da Vida Temasek da Universidade Nacional de Cingapura e professor emérito da Universidade Rockefeller, são os autores seniores do estudo, que aparece na edição de 25 de fevereiro da Nature Nanotechnology .

"Este é um primeiro passo importante para a transformação do cloroplasto, "Chua diz." Esta técnica pode ser usada para a triagem rápida de genes candidatos para a expressão de cloroplasto em uma ampla variedade de plantas cultivadas. "

Este estudo é o primeiro a surgir do programa recém-lançado Cingapura-MIT Aliança para Pesquisa e Tecnologia (SMART) em Tecnologias Disruptivas e Sustentáveis ​​para Precisão Agrícola (DiSTAP), que é liderado por Strano e Chua. Os principais autores do estudo são o ex-pós-doutorado do MIT Seon-Yeong Kwak, que agora é o diretor científico do programa DiSTAP, e o estudante de graduação do MIT Tedrick Thomas Salim Lew.

Cloroplastos direcionados

Alguns anos atrás, Strano e seus colegas descobriram que, ao ajustar o tamanho e a carga elétrica das nanopartículas, eles poderiam projetar as nanopartículas para penetrar nas membranas das células vegetais. Este mecanismo, chamado de penetração do envelope de troca lipídica (LEEP), permitiu-lhes criar plantas que brilham, incorporando nanopartículas carregando luciferase, uma proteína emissora de luz, em suas folhas.

Assim que a equipe do MIT relatou o uso de LEEP para obter nanopartículas nas plantas, biólogos vegetais começaram a perguntar se ele poderia ser usado para engenharia genética de plantas, e mais especificamente, para obter genes em cloroplastos. As células vegetais têm dezenas de cloroplastos, portanto, induzir os cloroplastos (em vez de apenas o núcleo) a expressar genes poderia ser uma forma de gerar quantidades muito maiores da proteína desejada.

"Trazer ferramentas genéticas para diferentes partes da planta é algo que os biólogos vegetais estão muito interessados, "Strano diz." Cada vez que dou uma palestra para uma comunidade de biologia vegetal, eles perguntam se você poderia usar essa técnica para entregar genes ao cloroplasto. "

O cloroplasto, mais conhecido como o local da fotossíntese, contém cerca de 80 genes, qual código para proteínas necessárias para realizar a fotossíntese. O cloroplasto também tem seus próprios ribossomos, permitindo-lhe reunir proteínas dentro do cloroplasto. Até agora, tem sido muito difícil para os cientistas colocar genes no cloroplasto:a única técnica existente requer o uso de uma "arma de genes" de alta pressão para forçar os genes nas células, o que pode danificar a planta e não é muito eficiente.

Usando sua nova estratégia, a equipe do MIT criou nanopartículas consistindo de nanotubos de carbono envoltos em quitosana, um açúcar natural. DNA, que tem carga negativa, liga-se fracamente aos nanotubos de carbono carregados positivamente. Para obter as nanopartículas nas folhas das plantas, os pesquisadores aplicam uma seringa sem agulha cheia com a solução de partículas na parte inferior da superfície da folha. As partículas entram na folha através de minúsculos poros chamados estômatos, que normalmente controlam a evaporação da água.

Uma vez dentro da folha, as nanopartículas passam através da parede celular da planta, membranas celulares, e então as membranas duplas do cloroplasto. Depois que as partículas entrarem no cloroplasto, o ambiente ligeiramente menos ácido do cloroplasto faz com que o DNA seja liberado das nanopartículas. Uma vez libertado, o DNA pode ser traduzido em proteínas.

Neste estudo, os pesquisadores entregaram um gene para a proteína fluorescente amarela, permitindo que eles visualizem facilmente quais células vegetais expressam a proteína. Eles descobriram que cerca de 47 por cento das células vegetais produziram a proteína, mas eles acreditam que isso poderia ser aumentado se eles pudessem entregar mais partículas.

Plantas mais resilientes

Uma grande vantagem dessa abordagem é que ela pode ser usada em muitas espécies de plantas. Neste estudo, os pesquisadores testaram em espinafre, agrião, tabaco, Rúcula, e Arabidopsis thaliana, um tipo de planta comumente usada em pesquisas. Eles também mostraram que a técnica não se limita aos nanotubos de carbono e pode ser potencialmente estendida a outros tipos de nanomateriais.

Os pesquisadores esperam que esta nova ferramenta permita aos biólogos de plantas criar mais facilmente uma variedade de características desejáveis ​​em vegetais e plantações. Por exemplo, pesquisadores agrícolas em Cingapura e em outros lugares estão interessados ​​em criar vegetais com folhas e safras que podem crescer em densidades mais altas, para a agricultura urbana. Outras possibilidades incluem a criação de safras resistentes à seca; colheitas de engenharia, como bananas, citrino, e o café para ser resistente a infecções fúngicas que ameaçam eliminá-los; e modificar o arroz para que não absorva o arsênico das águas subterrâneas.

Como os genes modificados são transportados apenas nos cloroplastos, que são herdados da mãe, eles podem ser passados ​​para a descendência, mas não podem ser transferidos para outras espécies de plantas.

"Essa é uma grande vantagem, porque se o pólen tem uma modificação genética, ele pode se espalhar para as ervas daninhas e você pode fazer ervas daninhas resistentes a herbicidas e pesticidas. Porque o cloroplasto é passado materno, não passa pelo pólen e há um nível mais alto de contenção de genes, "Lew diz.